— —实现MEMS的商品化、市场化还面对很多挑衅，另有很多家当化的技巧难题须要进行深层次的研究

1 引言



2 MEMS封装的特点

MEMS技巧是一门相当典范的多学科交叉渗入渗出、综合性强、时尚前沿的研发范畴，几乎涉及到所有天然及工程学科内容，以单晶硅Si、Si02、SiN、SOI等为重要材料。Si机械电气机能优良，其强度、硬度、杨式模量与Fe相当，密度类似A1，热传导率也与Mo和W平起平坐。在制造复杂的器件构造时，现多采取的各类成熟的外面微bD工技巧以及体微机械加工技巧，正向以LIGA（即深度x射线刻蚀、微电铸成型、塑料铸模等三个环节的德文缩写）技巧、微粉末浇铸、即刻掩膜EFAB为代表的三维加工拓展。因而MEMS封装具有与IC芯片封装明显不合的自身特别性：
当前，国表里半导体集成电路科研程度已根本具备将一些复杂的机电体系集成制造在芯片上的才能，几乎全部1000亿美元范围的家当基本举措措施都可以用来支撑MEMS技巧，那些被批量制造的、同时包含尺寸在纳米到毫米量级的电子与机械袈洫器件构成的MEMS，成为国际上微电子体系集成成长的新偏向。多门类实用的MEMS演示样品向早期产品演绎，可批量临盆的沃森仪表微加快度计、力敏传感器、微陀螺仪、数字微镜器件、光开关等的商品化日趋成熟，初步形成100亿美元的市场范围，年增长率在30％以上。当MEMS与其他技巧融合时，往往还会催生一些新的MEMS器件，为微电子技巧供给了异常大年夜的市场和立异机会，有可能在往后数十年内激发一场工业概绫屈。然而，实现MEMS的商品化、市场化还面对很多挑衅，另有很多家当化的技巧难题须要进行深层次的研究、解决，尤其是MEMS封装技巧的成长相对滞后，在某些方面形成封装障碍，使得很多MEMS器件的研发仍临时逗留在实验室阶段，起首解决这一通往市场的瓶颈，促进家当链提速运转已成为各界共鸣。

（1）专用性

为给MEMS可晃荡部分供给足够的晃荡、可动空间，须要在外壳上刻蚀或留有必定的槽形及其他外形的空间，灌封好的MEMS须要外面上的净空，封装时能供给一个十分有效的保护空腔。
MEMS中平日都有一些可动部分或悬空构造、硅杯空腔、梁、沟、槽、膜片，甚至是流体部件与有机部件，根本上是靠外面效应工作的。封装架构取决于MEMS器件及用处，对各类不合构造及用处的MEMS器件，其封装设计要随机应变，与制造技巧同步调和，专用性很强。

（2）复杂性
根据应用的不合，多半MEMS封装外壳上须要留有同外界直接相连的非电旌旗灯号通路，例如，有传递光、磁、热、力、化等一种或多种信息的输入。输入旌旗灯号角脸复杂，对芯片钝化、封装保护提出了特别请求。某些MEMS的封装及其技巧比MEMS还新鲜，不仅技巧难度大年夜，并且对封装情况的干净度请求达到100级。

（3）空间性

（4）保护性

在晶片上制成的MEMS在完成封装之前，始终对情况的影响极其敏感。MEMS封装的各操作工序、划片、烧结、互连、密封等须要采取特别的处理办法，供给响应的保护办法，装网格框架，防止可动部位受机械毁伤。体系的电路部分也必须与情况隔离保护，以免影响处理电路机能，请求封装及其材料不该对应用情况造成不良影响。
（5）靠得住性

MEMS应用范围广泛，对其封装提出更高的靠得住性请求，尤其请求确保产品在恶劣前提下的安然工作，免受有害情况侵蚀，气密封装能发散多余热量。

（6）经济性



总而言之，IC封装和MEMS封装这两者最大年夜的差别在于MEMS一般要和外界接触，而IC正好相反，其封装的重要感化就是保护芯片与完成电气互连，不克不及直接将IC封装移植于更复杂的MEMS。但大年夜广义上讲，MEMS封装情势多是建立在标准化的IC芯片封装架构基本上。今朝的技巧大年夜多沿用成熟的微电子封装工艺，并加以改进、演变，适应MEMS特别的旌旗灯号角面、外壳、内腔、靠得住性、降低成本等请求。

3 MEMS封装的成长

MEMS的成长目标在于经由过程微型化、集成化来摸索新道理、新功能的元器件与体系，开辟一个新技巧范畴和Ｒ当，其封装就是确保这一目标的实现，起着举足轻重的感化。几乎每次国际性MEMS会议都邑对其封装技巧进行热烈评论辩论，多元化研发另辟门路。各类改进后的MEMS封装赓续出现，个中较有代表性的思路是涉及物理、化学、生物、微机械、微电子的集成微传感器及颇┞敷列芯片体系，在实现MEMS片上体系后，再进行封装；另一种是将处理电路做成专用芯片，并与MEMS组装在同一基板上，最落后行多芯片组件MCM封装、体系级封装SIP。在商用MEMS产品中，封装是最终肯定其体积、靠得住性、成本的关键技巧，等待值极高。


MEMS封装重要采取定制式研发，现处于初期成长阶段，离系列化、标准化请求尚远。其封装在全部产品价格中占领40％-90％的比重，降低封装成本是一个热点话题。
MEMS封装大年夜致可分为圆片级、单片全集成级、MCM级、模块级、SIP级等多个层面。圆片级给MEMS制造的前、河道工序供给了一个技巧桥梁，整合伙源，具有倒装芯片封装与芯片尺寸封装的特点，对灵敏易碎的元件、履行元件进行特别钝化保护，使其免受有害工作介质和潮汽侵蚀，不受或少受其他无关身分的干扰，避免降低精度，完成MEMS芯片与基座（或管壳）的焊接和键合；单片全集成级封装要对一个集成在同一衬底汕９依υ构造和微电路进行密封，使之成为一个可供给用的完全体系产品，尺寸小，内部互连长度短，电气特点好，输出／人接点密度高，是MEMS封装成长的较幻想筹划；MCM级将MEMS和旌旗灯号处理芯片组装在一个外壳内，常采取成熟的淀积薄膜很多芯片组件MCM-D、混淆很多芯片组件MCM-C／D、厚膜陶瓷多芯片组件MCM-C的工艺与构造达到高密度、高靠得住性封装，可以充分应用已有的前提和设备，分别制造MEMS的不合部分。这类封装在小体积、多功能、高密度、进步临盆效力方面显出优势；模块级封装旨在为MEMS设计供给一些模块式的外部接口，一般分为光学接口、流体接口、电学接口，接口数据则由总线体系传输，大年夜而使MEMS能应用同一的、标准化的封装批量临盆，削减在封装设毕喔赡投资，降低成本，缩短临盆周期，并请求封装可以向二维空间自由扩大和连接，形成模块，完成某些功能，包管尽可能高的封装密度；SiP称为超集成策略，在集成异种元件方面供给了最大年夜的灵活性，实用于射频RF-MEMS的封装，在今朝的通信体系应用了大年夜量射频片外分立单位，无源元件（电容、电感、电阻等）占到射频体系元件数量标80％-90％，占基板面积的70％-80％，这些可MEMS化来进步体系集成度及电学机能，但往往没有现成的封装可以应用，而SiP是一种很好的选择，完成全部产品的组装与最后封装。

在MEMS封装技巧中，倒装芯片互连封装以其高I／O密度、低耦合电容、小体积、高靠得住性等特点而独具特点，可将几个不合功能的MEMS芯片经由过程倒装互连组装在同一块基板上，构成一个自力的体系。倒装芯片正面手下棘手下的光电MEMS可灵活地选择须要接收的光源，而免受其他光源的影响。研究注解，经由过程化学镀沉积柔性化凸点下金属层UBM、焊膏印刷和凸点缀移在芯片上形成凸点的┞封一套工艺的设备请求不高， 町作为倒装芯片封装构造用于力敏MEMS，尤其合适各研究机构为MEMS开辟的单件小批量的倒装芯片封装。而应用光刻掩膜、电镀和回流的办法形成凸点的UBM，却合适工业化大年夜批量临盆的MEMS压力传感器。采取倒装芯片互连技巧的MEMS封装已取得多方面进展，成钪啃发烧点。

在实际应用中，MEMS的封装可能是采取多种技巧的结合。严格地讲，有些封装技巧并无明显的差别和界定，另一些却竽暌闺微电子封装密切相干或类似，高密度封装、大年夜腔体管壳与气密封装、晶片键合、芯片的隔离与通道、倒装芯片、热学加工、柔性化凸点、准密封封装技巧等倍受存眷。用于MEMS封装的材料重要有陶瓷、金属、铸模塑料等数种，高靠得住性产品的壳体大年夜多采取陶瓷—金属、陶瓷—玻璃、金属—玻璃等构造，各有特点，知足MEMS封装的特别旌旗灯号角面、外壳机能等请求。


4 MEMS封装的应用
MEMS是现代国脊照日的重大年夜科技摸索前沿阵地之一，新研发的MEMS样品赓续被披露出来，大年夜敏感MEMS拓展到全光通信用光MEMS、移动通信前端的RF-MEMS、微流系一切等信息MEMS。光MEMS包含微久魅阵列、光开关、可变衰减器、无源互连耦合器、光交叉连接器、光分插复竽暌姑器和波分复竽暌姑器等，MEMS与光旌旗灯号有着天然的亲和力；RF-

MEMS包含射频开关、可调电容器、电感器、谐振器、滤波器、移相器、天线等关键元器件；微流系一切包含微泵、微阀、微混淆器、微流体传感器等，可对微量流体进行输运、组分分析和分别以及压力、流量、温度等参数的在线测控。MEMS正处在蓬勃成长时代，家当链和价值链的形成是须要链中各环节的合营尽力和密切合作的，封装弗成缺位。

4．1 微加快度计
MEMS最成功的产品是微加快度计，平日由一个悬臂构成，梁的一端固定，另一端吊挂着一个约10μg的质量块，由此质量块敏感加快度后，转换为电旌旗灯号，经C／V转换、放大年夜、相敏解调输出。有的厂家月产达200万件，研发出20余种型号产品，重要用于汽车安然气囊体系和稳定体系的惯性测量，国际市场年需求量在1亿件以上。在市场上较其他类MEMS取得贸易化快速进展的原因是更合适采取标准的IC封装，供给一个响应的微机械保护情况，无需开辟特别的外壳构造，大年夜XL50圆型陶瓷封装演进到XL276型8脚陶瓷双列直插式、XL202型14脚陶瓷外面贴装式封装，今朝逐渐被更小的XL202E型8引脚陶瓷外面贴装所代替，可耐高平和强烈的机忻魅振动、酸碱腐化。Low-G系列产品采取风行的方形平面无引脚QFN-16封装，有的采取16脚双列直插式或单列直插式塑料封装。采取MCM技巧平日能在一个MEMS封装中纳入更复杂的旌旗灯号调节功能芯片。

4．5 数字微镜器件
4．2 微陀螺仪

MEMS微陀螺仪多应用振动来检测扭转的角速度旌旗灯号，正加快研制高精度、低成本、集成化、抗高冲击的产品，研究在芯片上制造光纤陀螺，小批量临盆硅MEMS陀螺（俗称芯片陀螺）和MEMS石英压电速度陀螺，用于全球卫星定位体系精确制导的旌旗灯号补偿、汽车导航体系、飞翔器、天线稳定体系等。有采取无引线陶瓷芯片载体LCCC封装、混淆集成封装、MCM封装、单管壳体系封装的微陀螺仪，将惯性传感器与控制专用电路封装为一体，请求内部必须是真空气密前提。

4．3 力敏传感器

以MEMS技巧为基本的微型化、多功能化、集成化、智能化的力敏传感器获得贸易化应用。个中，硅MEMS压力传感器的应用最广泛，根本工艺流程分为力敏弹性膜片（硅杯）和组装两大年夜过程，在纽装中若何避免附加应力的产生是封装工艺的关键，采取静电封接独具特点，精力敏弹性膜片与玻璃环经由过程静电封接机封接为一体，形成膜片基体，后头接收压力构造增长膜片的固定支撑厚度，然后键合内引线、粘结、焊外引线、老化处理、零点补偿、密封、静电标定等完成全部封装过程：封装技巧向低温玻璃封接、激光硅—玻璃封接成长。


4．4 外面贴装麦克风

全球首款外面贴装Si Sonic微型麦克风的部件采取MEMS技巧制造，并将其与一个CMOS电荷泵IC、两个RF滤波电容集成在一个封装中，构成一个外面贴装器件。这种外面贴装的封装情势合适大年夜批量主动装配临盆，临盆效力极大年夜进步，而今朝采取传统电容式麦克风ECM是手工贴装，缺乏范围经济性。前者总体只有ECM的一半大年夜小，投影面积是更小的8．61mm2，有望代替一向在便携式应用中占主导地位的ECM。


数字微镜器件DMD（DIGITAL Micromirror DEVICE）主芯片含有跨越150万个能被精确控制、自力迁移转变的微镜，可用于光通信及数字投影装配、背投彩电等，其成像道理是由微镜±10°的迁移转变控制光旌旗灯号通断，透镜成像并投影到屏幕上，优势是光效高、色彩丰富逼真、亮度易作到2000流明甚至更高、比较度2000：1、靠得住性好、平均寿命约为50年，现发卖量跨越300万套。DMD采取带有透明窗口的密封封装情势，用陶瓷作为基底，玻璃作为窗口，同时应用了吸气剂，去除可能会对器件靠得住性造成伤害的湿气、氢以及其他一些物质微粒，其封装可以或许包管器件内干燥、密封并有一个透明的窗口确保光路的通顺。

4．6 MEMS光开关

用MEMS技巧制造的光开关是将光机械构造、微制动器、微光元件在同一基底上集成，具有传统光机械开关和波导开关的特点，二维和三维MEMS光开关已有贸易化的产品面世，开展对一维的研究，多采取组件或隔离密封式、模块情势封装，其典范代表为MEMS-5200系列交换模块。有些产品可以或许接收来自数十条光纤的输入旌旗灯号，并可将其路由到其他几百条光纤中去，采取这种产品的重要来由是避免花费昂贵、且难处理的大年夜量光—电转换和电—光转换，要达到这一目标，就请求，于关与光纤以及其他器件之间进行几百次甚至几千次的连接，采取同光纤相适应的封装，封装及接头技巧甚至比MEMS还新鲜，并要尽可能减小温度、湿度、振动以及其他情况身分对封装光开关的影响。MEMS光开关市场上尚缺乏合营的封装技巧标准，因批量小、技巧难度大年夜而价格特别昂贵，封装工艺、封装材料、机能测试等的赓续改进是热点存眷的话题。封装技巧还须要更大年夜的成长，才能充分表现出MEMS光开关在全光网中可扩大地完成各类光交换的关键感化的特点。

4．7 RF-MEMS

RF-MEMS可弥补CMOS工艺的不足，MEMS技巧制造的无源元件有益于体系集成度与电学机能的进步、成本降低，成为国际顶级半导体厂商拓展硅芯片应用范围的研发偏向。RF-MEMS开关的实用化获得相昔时夜的进展，往往没有现成的封装可以直接应用，因而需寻求解决筹划，SIP首当其冲。SIP大年夜RF-MEMS设计阶段即推敲封装问题，无源元件的集成方法、封装构造的设计、封装工艺流程、体系内芯片间的互连、封装材料的选择等尤为关键。SIP中内含外面安装器件、集成式无源元件、存储器芯片、CMOS芯片、GaAs高机能功率放大年夜器，在基板上可用高密度互连技巧制造掩埋式无源元件、传输线等，简化体系构造，降低寄生效应与损耗，进步应用频率范围，缩短产品开辟时光。

5 停止语

MEMS以及微光电子机械体系MOEMS、纳米电子机械体系NEMS的研发为新的技巧概绫屈供给了大年夜量机会。不合的MEMS请求具体响应的封装构造，封装技巧的特异性高，激发出大年夜量的封装问题亟待解决。据国外威望统计公司SPC的统计，国内MEMS的研究处于世界前八位，可批量临盆MEMS力敏传感器，研制成功MEMS光开关、RF-MEMS开关、微流系一切等多种道理样品，大年夜总体程度上看，与国外的差距重要表如今家当化技巧上。选择一些应用量大年夜、面广的MEMS及其封假装为成长和市场切人点，形成家当，知足市场需求，为成长其他MEMS打下基本、摸索出规律，如许就成功了一半。没有一项MEMS的研发会忽视封装技巧，没有封装的跟进是不实际的。

大年夜国外成长趋势看，MEMS的封装类别一般都沿用已经标准化的IC封装构造情势，或者加以改进来适应MEMS请求，力争采取更多的现有IC封装架构实现MEMS的封装。采取新型封装构造及其技巧，建立MEMS封装单位库，重视成本的新封装构造与MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个成长趋势。

在MEMS问题上，若就其封装展开充分的商量，则各有各的方法，市场比赛要选择对路产品，在市场引导下组建起MEMS的完全家当链是值得等待的。(end)